一种复杂空间分布式电容层析成像系统及成像方法

1.本发明涉及循环流化床的成像技术领域，具体涉及一种复杂空间分布式电容层析成像系统及成像方法。


背景技术：

2.伴随着科技的进步，成像检测技术领域发展十分迅速。成像检测技术具有检测效率高、可视化、无损检测、精度高等优点。以x射线成像技术、红外热成像技术为代表的各种成像检测技术在军事、工业测试、医疗等领域被广泛的运用，大大提高了人们的检测能力，改善了人们的生活水平，促进了科学技术的发展。
3.循环流化床是典型的复杂空间，其由多个单元连接组合形成的循环回路，结构复杂，各单元间相互耦合、相互影响，系统内各单元间的气固流动存在相互作用关系，回路内每个单元内气固流动都会影响系统的压力平衡、物料平衡。循环流化床内的颗粒多为不透明介质且呈三维分布，光束无法有效穿透床料，所以光学法仅能用于二维测量或者点测量。核磁共振、pept、射线法具有满意的测量精度，但结构复杂成本高，多数具有辐射，且无法为复杂的流化床结构定制传感器。目前绝大多数流化床测量方法仅能测量局部位置（单元）、甚至单个点的气固流动参数，且多将二维的测量方法用于三维的流化床中，多数测量为一段时间内平均信号。因此，现有的流化床测量方法无法兼顾流化床复杂结构所需的全循环、三维、瞬态测量。
4.电容层析成像可以实现对两相流内部流动的非接触式成像，测量流化床内颗粒流动特性，如固相浓度、颗粒速度、鼓泡情况等，是一种理想的气固流化床测量技术。目前应用于流化床的二维/三维ect也存在一定不足。二维ect仅能对规则截面进行成像，提供局部关键截面一定轴向长度内的平均固相浓度分布。二维ect要求流体流动沿轴向的变化不大，也即可以将实际的三维流动等效为二维流动，要求检测电路激励信号产生的电场在成像区域沿轴向相对均匀，通常可以增加轴向的驱动电极来增加电场在轴向的均匀性，有效降低边缘效应对二维ect的影响。即使不考虑边缘效应的影响，二维ect的测量结果也是测量电极轴向长度范围内浓度的平均信号。由于流化床结构复杂，提升管出口、返料口、旋风分离器等单元在流动方向的结构不规则、无法等效为二维结构，要实现对流化床整体的成像，必须采用三维成像。三维ect（electrical capacitance volume tomography，也称ecvt）可用于对任意三维物体内部进行成像，理论上不受被测对象形状的限制，可以测量完整的鼓泡和流化床不规则位置的三维流动情况。
5.现有技术公开号为cn109900751b公开了一种便携式电容层析成像测量装置，采用模块化设计，复杂可编程逻辑器件(cpld)芯片计算电容测量模块中电容阵列的各个电极的电压信号实现对测量信号的整形解调，并通过串行总线通讯电路将片上存储数据上传到上位机。但是本技术仅仅是针对单个电容层析成像装置进行控制，且并没有公开具体的控制信号是如何控制，并且无法在复杂空间进行检测。


技术实现要素：

6.1.所要解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种复杂空间分布式电容层析成像方法，本方法中对复杂空间或者复杂结构部署多个ect系统实现分段同步三维成像，并将各ect系统采集的图像拼接以实现对复杂空间或者复杂结构实现全循环、三维、瞬态测量成像。
7.2.技术方案：一种复杂空间分布式电容层析成像系统及控制方法，其特征在于：分布式电容层析成像系统包括成像计算机、时序控制器、n个电容层析成像数据采集系统，n为大于1的整数；所述成像计算机包括数据通信系统以及图像重建系统；所述时序控制器发送时序控制信号实现对n个电容层析成像数据采集系统的控制，具体包括以下步骤：步骤一：时序控制器向n个电容层析成像数据采集系统ectdaq
x
(x=1,
…
,n)同时发送时序控制信号；所述时序控制信号包括帧启动信号、同步帧号以及电极切换信号；其中发送至各个电容层析成像数据采集系统的帧启动信号相同；发送至各个电容层析成像数据采集系统的同步帧号相同；相同帧号下各电容层析成像数据采集系统在一个帧周期内采集的电容数据能重建一个完整图像；依次发送电极切换控制信号至各个电容层析成像数据采集系统，具体为：预设第n个电容层析成像数据采集系统ectdaqn的第一个电极切换控制信号在tn时刻发出，则第n 1个电容层析成像数据采集系统ect
n 1
的第一个电极切换控制信号在t
n 1
时刻发出，其中t
n 1
与tn是相差一个成像子周期t
sub
；每个电容层析成像数据采集系统的数据采集时间占用帧周期的一个成像子周期t
sub
，分布式电容层析成像系统采集一帧完整数据所需的时间t
fr
=t
sub
*n；时序控制器为各个电容层析成像数据采集系统提供的电极切换控制信号包括独立的k个脉冲以控制电极切换；预设任一电容层析成像数据采集系统的第k次电极切换控制信号在tk时刻发出以启动电极切换，那么第k 1次电极切换控制在t
k 1
时刻进行切换，其中t
k 1
与tk相差一个电极切换周期t
sw
,且t
sw
与k之积小于t
sub
；步骤二：各个电容层析成像数据采集系统接收并读取时序控制器的时序控制信号；在获取时序控制器的帧启动信号立即读取同步帧号信号，使各电容层析成像数据采集系统的电容数据实现同步；各电容层析成像数据采集系统根据接收的电极切换控制信号控制该数据采集系统的k次电极切换并采集电容数据，并上传至成像计算机中；步骤三：成像计算机将n个电容层析成像数据采集系统上传的电容数据重建出n个ect图像，并将该n个ect子图像拼接形成该帧周期中完整的ect图像。
8.进一步地，所述同步帧号为j根数字信号线，其中j大于等于12；为各个电容层析成像数据采集系统提供j位帧号数据。
9.进一步地，每个电容层析成像数据采集系统均包括单片机、电容检测电路、开关切换电路、阵列式电容传感器；所述开关切换电路分别与阵列式电容传感器和电容检测电路相连；所述单片机控制开关切换电路对阵列式电容传感器进行电极切换，实现不同电极间的电容连接，以便能用电容检测电路进行测量，电容检测电路的数据单向传递到单片机。
10.进一步地，步骤二中，各个电容层析成像数据采集系统生成图像包括以下步骤：s21：使用250khz的交流信号对电容测量电路进行激励；
s22：电容层析成像数据采集系统的单片机根据接收到的时序控制器的电极切换信号控制本系统的开关电路对阵列式电容传感器进行电极切换，在帧启动信号的上升沿的触发下读取j位同步帧号，并进入数据采集状态，电极切换信号实现不同电极间的电容连接，以便能用电容测量电路进行电容测量，单片机采集电容测量电路的数据，通过网口再将数据传递到成像计算机。
11.进一步地，步骤三中对图像的重建拼接时，以电容层析成像数据采集系统的接收到的同步帧号为基准，对其发送的图像的次序进行识别，将相同帧号的不同电容层析成像数据采集系统的图像重建拼接在同一帧图像中。
12.3.有益效果：（1）本发明的一种复杂空间分布式电容层析成像系统及成像方法，在复杂空间中根据需要部署多个ect设备，并与时序控制器相连形成复杂空间分布式电容层析成像系统，每个ect设备作为其中的一个电容层析成像数据采集系统将其所在空间的图像传输至成像计算机；时序控制器发出控制信号用来协调每台ect设备在一个帧周期内的不同时间段采集数据；每个电容层析成像数据采集系统在一帧数据采集完成后，将采集的电容数据上传至成像计算机实现对n个子系统的三维成像，并拼接形成完整的三维全循环图像，从而解决单台了ect设备测量规模有限导致无法对复杂结构成像的问题。
13.（2）本发明中，分布式三维电容层析成像系统的成像方法，将待成像的结构或空间进行分段成像，同步获得不同位置传感器的电容数据。既降低了ect子系统数据传输速度的要求，又降低了成像算法的不适定性和计算量。使得对复杂结构或空间全循环三维成像成为可能。将一个电容层析成像系统分解为n个规模相当的子系统，则灵敏场矩阵也分解为n个子灵敏场矩阵，灵敏场矩阵的条件数减小，有效提高图像重建的稳定性，n个子系统的总计算量仅为分解前的1/n。
14.（3）本发明中，通过时序控制器发送启动信号、同步帧号和对各数据采集系统的ect设备的控制信号，从而实现协调多个ect设备完成各自成像区域的电容数据采集。
15.（4）本发明中，每个电容层析成像数据采集系统根据时序控制器提供的时序控制信号，实时获取帧号，并根据电极切换信号进行k次电极切换，完成该ect设备的数据采集，并上传至成像计算机。
16.（5）本发明中，成像计算机的图像重建系统在对图片重建拼接时以发送给所有ect设备的同步帧号信息为基准，识别各ect设备的图像次序，保证拼接的多个ect图像为同一帧内的，避免图像错位。
附图说明
17.图1为具体实施例中的以循环流化床为例的分布式三维电容层析成像系统的示意图；图2为具体实施例中的一个帧周期发送的控制信号图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明进行具体的说明。
19.具体实施例：
本实施例以循环流化床为例，对本方案进行解释阐述。
20.要对如循环流化床之类的复杂结构进行全循环三维ect成像，需要的传感器电极数量庞大。而目前通常的ect测量系统检测通道有限，单ect系统根本无法满足对流化床的三维全循环成像。本发明的分布式三维ect架构，将庞大而复杂的三维成像系统分解为若干规模适中的子系统，实现复杂结构复杂空间的分段同步三维成像，将各个子系统的图像拼接成完整的结构或者空间的三维图像。
21.如附图1所示中间的为循环流化床的典型结构，周围根据成像的需要在结构比较复杂的位置部署了5个电容层析成像系统并分别对其进行编号；图中流化床周围部署的方框表示为该电容层析成像系统的阵列式电容传感器电极。时序控制器发送如附图2所示的控制信号至各个电容层析成像系统；5个ect子系统在时序控制器的协调下实现循环流化床的整床全循环成像，其中ect1、ect2和ect5用于关键位置或不规则结构的成像，而ect3和ect4用于规则直管段的成像。由于规则直管段的流动相对稳定，其电极轴向长度可大于关键位置ect传感器电极的长度。如附图2所示为在一个帧周期中成像系统时序控制器分别发送的控制信号图；时序控制器控制所有ect子系统的运行时序，包括实时的数据帧号、每一帧电容数据采集的启动信号和帧周期内各激励态下的电极切换信号。各ect子系统在收到启动信号后作电极切换，根据全循环成像的需求设定自身的激励电极和检测电极，并在电极切换后采集相应检测通道的电容数据。成像计算机根据采集的电容数据重建子系统三维图像，拼接形成完整的全循环三维图像。
22.虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本技术的权利要求保护范围所界定的为准。